功能器件前沿每周精选丨0603-0609
纳米人 纳米人 2019-06-11

1. Nature Mater.:合成反铁磁体中的长程手性交换作用

交换作用在静态磁性与动态磁性中都起着十分重要的作用。交换作用作为一种基础的相互作用共分为对称和反对称两种模式。对称相互作用会产生铁磁性和反铁磁性,而反对称相互作用由于其在促进具有快速节能装置的拓扑非平凡自旋结构方面的主要作用而引起了人们的极大兴趣。到目前为止,人们发现反对称交换作用的范围相当短,仅限于单个磁层。在本文中,德国美因茨大学的Mathias Klaui韩国西江大学的Myung-Hwa Jung 等报道了平行和反平行磁化对准的垂直磁化合成反铁磁体中的长程反对称层间交换作用。平面场下的非对称磁滞回线揭示了这种相互作用的单向性和手性,从而产生了倾斜的磁结构。研究人员通过考虑自旋-轨道耦合和多层对称性的降低来解释该研究结果。

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Dong-Soo Han, Mathias Klaui, Myung-Hua Jung et al, Long-range chiral exchange interaction in synthetic antiferromagnets, Nature Materials,2019

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0370-z

 

2. Nature Mater.:合成反铁磁体中对称性破缺的层间DMI

多层薄膜中的磁性界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)可导致手性自旋态,这对未来的自旋电子技术具有重要意义。界面DMI通常在缺乏反演对称的系统中通过顺磁性重金属介导,表现为一种层内相互作用。最近,英国格拉斯哥大学Amalio Fernández-Pacheco团队和德国汉堡大学Elena Vedmedenko团队的研究表明,通过设计具有斜向磁化状态的人造反铁磁体,也可在室温下直接观察到界面层间DMI的存在。由于非共线自旋态的出现,层间DMI打破了磁化反转过程的对称性,进一步导致手性的交换偏置磁滞回线。本文报道的手性自旋层间相互作用有望在一系列多层薄膜体系中得到体现,为磁性异质结构中手性效应的开发和利用开辟了一条新道路。

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图1. 斜向磁化人工铁磁体层间DMI的研究。

 

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图2. 层间DMI引起的手性交换偏置磁滞曲线。

Amalio Fernández-Pacheco, Elena Vedmedenko, Fanny Ummelen, Rhodri Mansell, Dorothée Petit & Russell P. Cowburn. Symmetry-breaking interlayer Dzyaloshinskii–Moriya interactions in synthetic antiferromagnets. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0386-4

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0386-4

 

3. 明尼苏达大学最新Nature Mater.:有机半导体薄膜结晶过程中有序周期式样的形成

具有微米尺度特征的自组织模式在光电领域的光子设备和散射层的大规模生产中有着广阔的应用前景。在理想情况下,为了避免进一步的处理工艺,式样的形成会发生活性半导体中。在本文中,美国明尼苏达大学的Clark 和Holmes团队报道了一种通过简单的退火工艺在单层有机半导体中形成周期性式样的方法。在受热状态下结晶前沿穿过整个薄膜并产生波长与近红外光相当的正弦表面结构。这些表面周期性特征最初形成于晶体生长前沿的微米范围内的非晶态区域,这可能是因为晶体生长与表面质量传输之间存在着竞争。通过改变薄膜厚度和退火温度可以将周期性式样的图案波长从800 nm调至2400 nm,甚至可以得到毫米尺度的区域尺寸。这一现象可被拓展至微结构有机光电器件的自组装领域。

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John S. Bongsund, Catherine Clark, Russel J. Holmes et al, Formation of aligned periodic patterns during the crystallization of organic semiconductor thin films, Nature Materials,2019

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0379-3

 

4. Nature Phys.:高迁移率聚合物半导体中的极化子自旋动力学

聚合物半导体表现出特别长的旋转寿命,并且最近在共轭聚合物中观察到的微米自旋扩散长度证明了有机自旋电子器件的潜力。 弱旋转轨道和超精细相互作用是它们长旋转寿命的起源,但旋转与其环境的耦合机制仍然是难以捉摸的。 近日,卡文迪什实验室Henning Sirringhaus 研究团队对具有高迁移率共轭聚合物作为活性层的场效应晶体管中的极化子自旋寿命进行了系统研究。 研究人员展示了自旋弛豫如何受电荷在低温下的跳跃运动控制,而由载波函数的瞬态定位引起的Elliott-Yafet式弛豫是高温下自旋弛豫的原因。 在该方案中,电荷,自旋和结构动力学密切相关并且敏感地依赖于聚合物主链的局部构象和聚合物链的晶体堆积。

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Schott, S. Sirringhaus , H. et al. Polaron spin dynamics in high-mobility polymeric semiconductors. Nature Physics 2019.

DOI:10.1038/s41567-019-0538-0

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0538-0

 

5. Nature Photonics:用于超快纳米光子学的自组织非线性光栅

随着利用飞秒持续时间激光脉冲的设备变得越来越普遍,需要下一代非线性光子学技术,其使得低能量飞秒脉冲能够以高效率从一个波长转换到另一个波长。由于必须匹配光的相速度和群速度,设计非线性材料以采用飞秒脉冲进行操作具有挑战性。美国国家标准与技术研究院Daniel D. Hickstein 和Scott B. Papp等人研究表明,飞秒激光脉冲可以在纳米光子波导中产生自组织非线性光栅,从而为二次谐波产生提供具有准相位匹配和群速度匹配的非线性光学器件。研究人员采用非线性显微镜来独特地表征自组织非线性光栅,并证明这些波导能够实现激光频率梳稳定的χ(2)和χ(3)非线性过程。最后,推导出了控制飞秒脉冲的自组织光栅形成的方程,并揭示了群速度匹配的关键作用。在未来,具有自组织光栅的纳米光子学可以实现可扩展的,可重新配置的非线性光子学。

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Hickstein, D. D. et al. Self-organized nonlinear gratings for ultrafast nanophotonics. Nat. Photonics, 2019

Doi:10.1038/s41566-019-0449-8.

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0449-8

 

6. 日本分子科学研究所Nature Commun.:光驱动分子开关用于可重构自旋滤波器

通过外部刺激使分子元件定向运动的人工分子开关和机器在近十年得到了迅速的发展,其中以拥挤的烯烃基人工分子马达最具吸引力。然而,将这些分子开关集成到固态器件中仍然具有挑战性。有鉴于此,日本分子科学研究所的Hiroshi M. Yamamoto和Masayuki Suda教授等报道了一个将分子开关用于固态自旋过滤装置的例子,它可以通过光辐照或热处理来改变自旋极化方向。研究发现,由于手性诱导的自旋选择性效应,该装置利用分子马达的手性反转可以作为光驱动的可重构自旋滤波器。研究者发现对于使用分子机器的固态电极而言,在分子尺度上具备灵活性是至关重要的。

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Masayuki Suda*, Yuranan Thathong, Vinich Promarak, Hirotaka Kojima, Masakazu Nakamura, Takafumi Shiraogawa, Masahiro Ehara & Hiroshi M. Yamamoto*. Light-driven molecular switch for reconfigurable spin filters. Nat. Commun.,2019

Doi10.1038/s41467-019-10423-6

下载链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10423-6

 

7. 德国马普研究所Nature Commun.:三点拓扑金属MoP中的极高电导率

魏尔费米子和狄拉克费米子在凝聚态物理和材料科学中引起了极大的关注。最近,研究人员对几种不同类型的费米子进行了预测。在本文中,德国马普研究所的Felser和Shekhar等在MoP这种新发现的三点费米金属中观测到了低温下极高的离子电导。他们发现该金属在2K的低温下电阻率为6nΩ cm,电子的平均自由程为11um。他们利用德哈斯-范-阿尔芬振荡解释了费米表面的自旋分裂。与导电率和载流子数相似的贵金属相比,MoP中的磁阻在2 K时并不会达到饱和的9T。研究人员还发现发现电子的动量弛豫时间比量子相干时间大15倍以上。这种散射尺度之间的差异说明低温下动量守恒散射在MoP中占主导地位。

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Nitesh Kumar, Claudia Felser, Chandra Shekhar et al, Extremely high conductivity observed in the triple point topological metal MoP, Nature Communications, 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-10126-y

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10126-y 

 

8. 复旦大学Nature Commun.:少层黑磷中范德华相互作用的调控

总所周知,2D材料的物理化学性能与层间范德华相互作用有着密切关系。目前,如何认为调控层间范德华相互作用从而操控材料物理化学性质依然是一个难题,有鉴于此,复旦大学晏湖根教授等借助红外光谱法成功调控了2-10层黑磷层间范德华相互作用。研究中,他们惊讶的发现平面内的拉伸应变有效地削弱了层间耦合,使得样品在垂直方向上收缩,表现出明显的视觉变化。随后,他们借助DFT进一步证实了观测结果,表明褶皱晶格结构起着主导作用。

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Shenyang Huang, Guowei Zhang, Fengren Fan, Chaoyu Song, Fanjie Wang, Qiaoxia Xing, Chong Wang, Hua Wu & Hugen Yan*.Strain-tunable van der Waals interactions in few-layer black phosphorus. Nat. Commun.,2019

Doi10.1038/s41467-019-10483-8

下载链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10483-8

 

9. Science Adv.:高导热率、高质量单层氮化硼及其热膨胀

热管理变得越来越重要,尤其是在小型化的现代设备中,那么开发具有电绝缘的高导热材料至关重要。澳大利亚迪肯大学Lu Hua Li和英国贝尔法斯特女王大学Elton J. G. Santos团队报道,高质量的单原子薄六方氮化硼(BN)在室温下的导热率(κ)为751 W/mK,是所有半导体和绝缘体中每单位重量的第二大κ。原子级薄BN的κ随厚度增加而减小。分子动力学模拟再现了这一趋势,同时密DFT计算揭示了主要的散射机制。单层至三层的BN在300至400 K的热膨胀系数也是首次通过实验测量。由于其宽带隙、高导热性、出色的强度、良好的柔韧性、出色的热稳定性和化学稳定性,原子级薄BN是在下一代柔性电子器件的散热中潜力无限。

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Cai, Q., Scullion, D. et al. High thermal conductivity of high-quality monolayer boron nitride and its thermal expansion. Sci. Adv. 5, eaav0129, 2019

Doi:10.1126/sciadv.aav0129.

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaav0129

 

10. 中科大倪勇&俞书宏Chem:具有超强弹性与隔热性能的仿生碳管气凝胶

在本文中,来自中国科学技术大学的倪勇教授俞书宏教授团队以北极熊毛发的微观结构为灵感通过溶液方法制备了一种具有超弹性和优良隔热性能的宏观尺度轻质碳管气凝胶。微结构衍生的热导率和超弹性在很大程度上取决于内部交联的碳管的壳层厚度以及气凝胶的孔径。值得注意的是,优化后的气凝胶在30%应变下经过100多万次压缩释放循环或在90%应变下经过10000次压缩释放循环仍能够保持结构的完整性。此外,这种仿生气凝胶对宽频带力能够产生快速准确的动态压阻响应。尤其是在传统弹性材料中通过标准落钢球测得的最快反弹速度1434 mm s-1进一步证实了该仿生碳管气凝胶的超弹性。此外,该气凝胶优化后的最小导热系数低至23 mW m−1 k−1,这一性能优于干燥空气的导热系数。

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Huijuan Zhan, Yong Ni, Shuhong Yu et al, Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation, Chem, 2019

DOI: 10.1016/j.chempr.2019.04.025

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30202-5?rss=yes#

 

11. 天津大学&上海大学&莱斯大学AM:具有高亲锂特性的化学剥离二维COF

具有可逆氧化还原行为的共价有机框架(COFs)可以被用做锂离子电池电极材料。然而,之前报道过的COFs锂离子扩散动力学缓慢、电子电导差、可逆容量有限且倍率性能差,这严重限制了其实际应用。在本文中,莱斯大学的Ajayan联合上海大学的Yong Wang 天津大学的Chen Long 等设计了一种每个重复单元有六个不饱和苯环和有序介孔结构的新型二维COF(TFPB-COF)。他们采用化学剥离策略获得了少层COF纳米片,这些二维纳米片的重堆积由于层间MnO2纳米颗粒的形成而受到限制。与体相的三维COF相比,这种二维COF由于层间强烈的共轭π电子云的存在而具有更多储锂位点,电子/离子传输动力学也更加快速。

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Xiaodong Chen, Pulickel M. Ajayan, Long Chen, Yong Wang et al, HighLithiumAffinity Chemically Exfoliated 2D Covalent Organic Frameworks, Advanced Materials,2019

DOI: 10.1002/adma.201901640

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901640

 

12. 南京理工大学AM: 通过界面设计,调控锑烯的外延原子结构

锑烯(Antimonene)是一种具有基本带隙和理想稳定性的新型半导体,最近已经通过实验实现。然而,晶圆级单晶锑烯的外延生长仍然是一项艰巨的挑战。南京理工大学曾海波、Shengli ZhangHarald Fuchs等人选择Cu(111)和Cu(110)作为基底,通过分子束外延(MBE)制造高质量的单晶锑烯。表面合金在Sb沉积和后退火后在两个基底上自发形成,这两个基底显示出具有不同晶格常数的三重和双重对称性。增加覆盖率产生了两种原子类型的锑烯的外延生长,两者都呈现六方晶格但具有显着的晶格常数差异。研究结果还揭示了应变诱导的可调带隙致,在不同基底上外延生长锑烯的电子性质可以通过基底诱导的应变和应力来调节。

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Niu, T., Zhou, W., Zhou, D., Hu, X., Zhang, S., Zhang, K., Zhou, M., Fuchs, H., Zeng, H., Modulating Epitaxial Atomic Structure of Antimonene through Interface Design. Adv. Mater. 2019, 1902606.

https://doi.org/10.1002/adma.201902606

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902606

 

13. 东华大学AFM:柔性无机纳米纤维构建三维超弹性支架用于骨再生

东华大学李晓然、丁彬教授合作,以壳聚糖为键合位点,采用本征刚性、结构柔性的电纺二氧化硅纳米球(SiO2 NF-CS)通过冻干技术组装制备了超弹性三维陶瓷纤维支架。SiO2 NF-CS支架在水介质中表现出良好的弹性,可以完全从被80%的压缩状态中恢复、且具有快速的恢复速率(>500 mm min-1)和良好的抗磨损性能(> 10000次压缩循环)。SiO2 NF-CS支架可以诱导人间充质干细胞(hMSC) 伸长并向成骨细胞分化。实验通过将压缩了的SiO2 NF-CS支架植入兔子的不同形状的下颌骨缺损中,证明了其在体内的自适应能力,并可以使得骨缺损自发地恢复。研究利用大鼠颅骨缺损修复实验和细胞(hMSC)组织形态学分析证实了该支架可以促进骨形成并使血管化增强。这一研究制备的三维陶瓷纤维支架能较好地匹配不规则形状或不同种植部位的骨缺损,因而具有良好的临床应用前景。

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Lihuan Wang, Xiaoran Li, Bin Ding. et al. 3D Superelastic Scaffolds Constructed from Flexible Inorganic Nanofbers with Self-Fitting Capability and Tailorable Gradient for Bone Regeneration. Advanced Functional Materials. 2019

DOI: 10.1002/adfm.201901407

https://doi.org/10.1002/adfm.201901407

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